JP6803261B2

JP6803261B2 - 工作機械における動作制御方法

Info

Publication number: JP6803261B2
Application number: JP2017033858A
Authority: JP
Inventors: 貴暁田中; 亮輔佐々木
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-02-24
Also published as: CN108500732A; CN108500732B; JP2018139074A; DE102018202577A1; US10913121B2; US20180243833A1

Description

本発明は、たとえばＮＣ旋盤等の工作機械において、複数のツールを作動させた同時加工中に工具に異常が発生した際の動作制御方法に関するものである。

従来、１つのワークに対して複数のツールを作動させて加工を行う所謂同時加工という加工方法があり、たとえば切削工具を保持する刃物台が複数台搭載されたＮＣ旋盤により、１つのワークに対して複数の切削工具を同時にあてがい、各切削工具毎に夫々別の加工を同時に行う等といったものがある（図３に示す）。このような同時加工によれば、１つのワークに対する加工時間を短縮することができる上、たとえば特許文献１に記載されているような長尺のワークに対する旋削加工では、２つの工具でワークを挟み込むように加工を行うことにより、ワークの変形を抑制し、精度の良い加工を実現することができる。
一方、加工中に異常を検出すると、工具をワークから退避させることでワークや工作機械の損傷を回避するという方法も考案されており、たとえば特許文献２に記載の方法によれば、ワークにかかる切削荷重方向を求め、異常を検出すると切削荷重方向の反方向へと工具を退避させるとしている。

ここで、上述したような刃物台を複数台備えた工作機械において、同時加工中に異常が検出されたことにもとづき、工具をワークから退避させる場合を考えると、他方の刃物台の状態をも考慮して退避動作を行わなければならない。たとえば外径φ４０ｍｍのワークＷをφ３０ｍｍに仕上げる加工を例とし、図３における刃物台Ａに取り付けた工具３１（ここでは粗加工用のバイトとする）により外径をφ３０．４ｍｍまで除去し、刃物台Ｂに取り付けた工具３２（ここでは仕上げ用バイトとする）により外径をφ３０ｍｍに整えるとする。この場合、刃物台Ａに刃物台Ｂを追従させることになるため、刃物台Ａの工具３１に異常が発生して刃物台Ａを退避させると、刃物台Ｂの工具３２の切り込み量が０．２ｍｍから５．０ｍｍへと急激に増大する。したがって、工具３２にかかる負荷も急激に増大し、結果として工具３２が破損したり、ワークＷが破損したりすることになる。
また、２つの工具でワークを挟み込むように加工を行っている際に、どちらかの工具に異常を検出して退避動作させたとすると、２つの工具で挟み込んでいたことによるワークの変形抑制効果がなくなる（たとえば図４に示すように、当初は二点鎖線で示す状況であったところ、刃物台Ｂを退避させたことによって、ワークＷが実線で示すように撓んでしまう）ため、加工精度の悪化を招いてしまう。
したがって、同時加工中に異常が検出されると、全ての工具による加工を停止したり、全ての工具をワークから退避させたりしていた。

特開平９−１５０３４８号公報特公平７−２５００６号公報

しかしながら、複数のツールを作動させて加工を行う工作機械として、たとえばサブ主軸を有する旋盤を考えてみると、メイン主軸とサブ主軸とで夫々異なるワークに対する加工を行うことがある。したがって、このような状況であるにも拘わらず、たとえばメイン主軸の加工にて異常が検出されたとして、全ての工具による加工を停止したり、全ての工具をワークから退避させたりすると、メイン主軸の異常が関与しないサブ主軸での加工までもが中断されることになり、リカバリーに技能や時間を要して加工効率が悪化する上、ワークの再加工が行えなくなることも考えられる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、加工中に異常が検出された際、加工状況に応じて適切な応答動作をとることができる工作機械における動作制御方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、工具を有する複数のツールを備えており、前記ツールをワークに対して相対的に移動させることによって前記ワークを加工する工作機械における動作制御方法であって、加工中に前記工具に異常が発生したか否かを判定する第１工程と、前記異常を検出すると、少なくとも２以上の前記ツールにより同じワークに対して加工を行う同時加工を行っているか否か、及び前記異常が検出された工具が当該同時加工中の工具であるか否かを判定する第２工程と、前記第２工程での判定結果を踏まえ、前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせるとともに、他の前記ツールに応答動作をとらせる第３工程とを実行することを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項２に記載の発明は、工具を有する複数のツールを備えており、前記ツールをワークに対して相対的に移動させることによって前記ワークを加工する工作機械における動作制御方法であって、加工中に前記工具に異常が発生したか否かを判定する第１工程と、前記異常を検出すると、少なくとも２以上の前記ツールにより同じワークに対して加工を行う同時加工を行っているか否か、及び前記異常が検出された工具が当該同時加工中の工具であるか否かを判定する第２工程と、前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせた際に、他の前記ツールでの加工における影響の大小を判定する第３工程と、前記第２工程及び前記第３工程での判定結果を踏まえ、前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせるとともに、他の前記ツールに応答動作をとらせる第４工程とを実行することを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項３に記載の発明は、工具を有する複数のツールを備えており、複数の前記ツールをワークに対して相対的に移動させることによって前記ワークに同時加工する工作機械における動作制御方法であって、加工中に前記工具に異常が発生したか否かを判定する第１工程と、前記異常を検出すると、前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせた際に、他の前記ツールでの加工における影響の大小を判定する第２工程と、前記第２工程での判定結果を踏まえ、前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせるとともに、他の前記ツールに応答動作をとらせる第３工程とを実行することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明において、前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせた際に、他の前記ツールでの加工における影響の大小を判定するにあたり、各前記ツールの現在位置及び進行方向にもとづき、前記ワークに対する切り込み量の変化量から判定する方法と、各前記ツールの現在位置にもとづき、予め設定される影響エリアに位置しているか否かから判定する方法との少なくとも何れか一方を実行することを特徴とする。

本発明によれば、加工中の工具に異常を検出すると、少なくとも２以上のツールにより同じワークに対して加工を行う同時加工を行っているか否か、及び異常が検出された工具が当該同時加工中の工具であるか否かを判定したり（請求項１、２）、異常が検出された工具を有するツールに異常回避動作をとらせた際に、他のツールでの加工における影響の大小を判定したりする（請求項２、３）。そして、それらの判定結果を踏まえ、異常が検出された工具を有するツールに異常回避動作をとらせるとともに、他のツールに応答動作をとらせる。したがって、一のツールに異常が発生したとしても、たとえば同時加工中でなかったり、加工における影響が小さかったりする他のツールに関しては、加工を継続することができ、リカバリーにかかる手間や時間を短縮して加工効率の向上を図ることができるし、加工不良となるワークを削減することもできる。

ＮＣ旋盤を示した説明図である。同時加工中に異常が検出された際の動作制御を示したフローチャートである。ＮＣ旋盤での同時加工の一例を示した説明図である。ＮＣ旋盤での同時加工の他の例を示した説明図である。所定のワークに対して所定の切削力で加工した際のワークの変形量を推定したグラフである。

以下、本発明の一実施形態となるＮＣ旋盤１０における動作制御方法について、図面にもとづき詳細に説明する。

図１は、ＮＣ旋盤１０を示した説明図である。
まずＮＣ旋盤１０の機械的な構造について説明すると、ＮＣ旋盤１０は、チャックしたワークを回転可能なメイン主軸１及びサブ主軸２と、工具３１、３２が夫々装着される刃物台Ａ及び刃物台Ｂと、それらの動作を制御する制御装置５とを備えてなる。また、制御装置５には、作業者がモータの駆動指令等を入力するための入力部７、設定されている加工プログラムの解釈等のための演算部８、及び加工プログラムにもとづいた各モータへの指令等のための指令部６が設けられている。そして、このＮＣ旋盤１０では、制御装置５による制御のもと、メイン主軸１、サブ主軸２、刃物台Ａ、及び刃物台Ｂの４つ（ツールは２つ）が夫々独立して動作可能となっている。

ここで、本発明の要部となる複数のツールを作動させている同時加工中に異常が検出された際の動作制御について説明する。図２は、同時加工中に異常が検出された際の動作制御を示したフローチャートである。図３及び図４は、ＮＣ旋盤１０での同時加工の例を示した説明図である。
まず全体的な制御について見てみると、ＮＣ旋盤１０では、加工の開始に伴い、加工に異常が発生しているか否かを判定する（Ｓ１）。また、加工に異常が発生していると、同時加工中であるか否かを判定する（Ｓ２）。さらに、同時加工中であると、異常が発生している側の刃物台を退避させた際の加工への影響を判定し（Ｓ３）、当該加工への影響の判定に応じて、両刃物台Ａ、Ｂの動作を制御する（Ｓ４）ようになっている。

次に各ステップにおける動作の具体例を詳述すると、Ｓ１における判定方法としては、刃物台Ａ、Ｂを駆動するモータの負荷を検出し、その検出値が所定の閾値を超えたことをもって工具３１、３２に欠損や折損が生じている、すなわち加工に異常が発生していると判定する方法がある。他には、刃物台Ａ、Ｂに加速度センサを取り付け、その出力値をもとに異常の発生を検出する（異常な振動の検出）としてもよいし、刃物台Ａ、Ｂに温度センサを取り付け、その出力値をもとに異常の発生を検出する（異常な温度の検出）といった方法も考えられる。

また、Ｓ２における判定方法としては、各刃物台Ａ、Ｂの現在位置にもとづいて判定するという第１の方法が考えられる。たとえば、刃物台Ａの現在位置が、メイン主軸１よりもサブ主軸２に近いと、刃物台Ａの工具３１は、サブ主軸２にチャックされているワークに対して加工中であると判定する。そして、その際、刃物台Ｂの現在位置が、メイン主軸１よりもサブ主軸２に近いと同時加工中であると判定する一方、メイン主軸１に近いと同時加工中ではないと判定すればよい。また、ＮＣ旋盤１０に設定されている加工プログラムの指令座標系によって判定するという第２の方法も考えられる。すなわち、メイン主軸１とサブ主軸２とで異なるワークを加工する場合、一般的にプログラム指令は異なる座標系によって行われるため、刃物台Ａの動作で参照する座標系と刃物台Ｂの動作で参照する座標系との原点が同じであると同時加工中であると判定し、原点が異なっていると同時加工中ではないと判定すればよい。

加えて、Ｓ２における判定方法として、メイン主軸１やサブ主軸２の運転状態から判定するといった第３の方法も考えられる。たとえば、長尺ワークを加工する場合、１つのワークの一端をメイン主軸１でチャックし、他端をサブ主軸２でチャックして加工することがある。このとき、サブ主軸２は、メイン主軸１と同期して回転させたり、駆動力をかけずにメイン主軸１の回転につられる形で回転させたりすることになる。そこで、サブ主軸２の運転状態がメイン主軸１に同期していたり、つれまわしであったりすると、同時加工中であると判定し、そうでないと同時加工中ではないと判定すればよい。

さらに、Ｓ３における判定方法としては、同時加工中の刃物台Ａ、Ｂ同士の相対位置と進行方向とから判定するといった第１の方法が考えられる。たとえば図３に示すように、刃物台Ａに対して刃物台Ｂが追従するように、−Ｚ方向へ同時加工をしているとする。このとき、刃物台ＡのＸ座標をＸＡ、Ｚ座標をＺＡとするとともに、刃物台ＢのＸ座標をＸＢ、Ｚ座標をＺＢとすると、ＸＡ≧ＸＢ、ＺＡ≦ＺＢとなる。そして、この関係性が成立していると、刃物台Ｂを退避させたとしても加工への影響は小さいものの、刃物台Ａを退避させてしまうと、刃物台ＢのＺ方向の切り込み量が急激に増大し、加工へ与える影響が大きく、不具合に発展する可能性が高いと判定するといった方法となる。

他にＳ３における判定方法として、同時加工を中断した際に加工精度が悪化する影響エリアを定義し、各刃物台Ａ、Ｂが当該影響エリア内に位置しているか否かで判定するといった第２の方法が考えられる。たとえば図４に示すように、長尺なワークに対して同時加工している際に刃物台Ｂの工具３２で異常が発生したとする。そこで、刃物台Ｂを退避させた場合のワークの加工力による変形を下記式により推定する。

ここで、図５に、直径φ２０ｍｍ、長さ１０００ｍｍのＳ４５Ｃ製ワークに対して切削力１５Ｎで加工した際のワークの変形量を推定したグラフを示す。そして、たとえば要求交差が０．０２ｍｍであるとすると、刃物台Ａの現在位置が０〜２５０ｍｍ、若しくは、７５０〜１０００ｍｍの範囲内にあると、刃物台Ａは影響エリアＳの外にあって、求められる精度が得られるために、たとえ刃物台Ｂを退避させたとしても加工への影響は小さいと判定する。一方、刃物台Ａの現在位置が２５０〜７５０ｍｍの範囲内にあると、刃物台Ａは影響エリアＳの内にあり、刃物台Ｂを退避させると、求められる精度が得られなくなる可能性が高く、加工への影響は大きいと判定する。なお、ここでは、ワークの変形を推定するとしているが、対象を治具又は工具としても良いし、それらの組み合わせであってもよい。

そして、Ｓ４では、一方の刃物台で異常の発生を検出したものの、他方の刃物台との同時加工中でないと、一方の刃物台のみ退避させ、他方の刃物台については加工を継続する。また、同時加工中であったとしても、加工への影響が小さいと判定すると、一方の刃物台のみを退避させ、他方の刃物台については加工を継続する。しかしながら、加工への影響が大きいと判定すると、一方の刃物台と共に、他方の刃物台についても退避させる。

以上のようなＮＣ旋盤１０における動作制御方法によれば、一方の刃物台で異常の発生を検出したものの、他方の刃物台との同時加工中でないと、一方の刃物台のみ退避させ、他方の刃物台については加工を継続する。また、同時加工中であったとしても、加工への影響が小さいと判定すると、一方の刃物台のみを退避させ、他方の刃物台については加工を継続する。したがって、どのような状況であっても全ての刃物台について退避動作させる従来の動作制御方法と比べると、リカバリーにかかる手間や時間を短縮して加工効率の向上を図ることができるし、加工不良となるワークを削減することもできる。

なお、本発明に係る工作機械における動作制御方法は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、工作機械の全体的な構成は勿論、異常発生時の動作制御等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記実施形態では、ツールが刃物台であるため、一方のツールに異常が発生した際に、当該一方のツールにとらせる異常回避動作として退避させるようにしているが、たとえばツールが刃物台ではなく、工具を回転主軸に装着してなるツールであると、異常回避動作として回転停止させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、一方のツールに異常が発生し、当該一方のツールに異常回避動作をとらせると加工への影響が大きいと判定した際、他方のツールにとらせる応答動作として退避させるようにしているが、加工条件や加工経路を変更する（たとえば、図３に示す例においては、送り速度を下げたり、切り込み量を小さくする等）ことによって加工を中断することなく継続可能である場合には、応答動作として加工条件や加工経路の変更を採用することも可能である。すなわち、たとえば、図３に示すような例では、他方のツールに、送り速度を下げたり、切り込み量を小さくする等といった応答動作をとらせてもよい。

さらに、上記実施形態では、同時加工中であると、異常が検出された工具を有するツールに異常回避動作をとらせた際に、他のツールでの加工における影響の大小を判定するようにしているが、そのような影響の大小に係る判定は行わず、同時加工中であると異常が検出された工具を有するツールと他のツールとを共に退避させる一方、同時加工中でないと異常が検出された工具を有するツールのみを退避させ、他のツールについては加工を継続するようにしてもよい。

また、ツールが刃物台であり、異常が発生していない他方の刃物台に、異常が発生した一方のツールと同等の工具が搭載されている場合には、一方のツールの工程を他方のツールに振り分けてもよい。たとえば、従来技術にも記載したような外径φ４０ｍｍのワークを外径φ３０ｍｍに仕上げる加工において、刃物台Ａの工具３１で外径をφ３５ｍｍまで除去し、刃物台Ｂの工具３２で外径をφ３０ｍｍに仕上げるとした場合、刃物台Ｂに異常が発生して刃物台Ｂを退避させたとする。このとき、刃物台Ｂの工程についても刃物台Ａに振り分けて加工を継続するようにしてもよい。すなわち、同時動作を行うプログラムにおける同期ポイントまでの動作を交互に行うようにすることで、最後まで仕上げることが可能となる。

さらに、工作機械に工具交換装置が付設されている場合には、異常が発生して異常回避動作をとらせたツールが有する工具を予備工具に交換した後、加工を再開するようにすることも可能である。
加えて、上記実施形態では、ツールが２つのＮＣ旋盤について説明しているが、本発明は、たとえば複数の刃物台を有しているものの主軸を１つしか有さないＮＣ旋盤や、工具を装着可能な複数の主軸頭を有するマシニングセンタに対しても好適に採用することができる。

１・・メイン主軸、２・・サブ主軸、５・・制御装置、１０・・ＮＣ旋盤、３１、３２・・工具、Ａ、Ｂ・・刃物台。

Claims

工具を有する複数のツールを備えており、前記ツールをワークに対して相対的に移動させることによって前記ワークを加工する工作機械における動作制御方法であって、
加工中に前記工具に異常が発生したか否かを判定する第１工程と、
前記異常を検出すると、少なくとも２以上の前記ツールにより同じワークに対して加工を行う同時加工を行っているか否か、及び前記異常が検出された工具が当該同時加工中の工具であるか否かを判定する第２工程と、
前記第２工程での判定結果を踏まえ、前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせるとともに、他の前記ツールに応答動作をとらせる第３工程と
を実行することを特徴とする工作機械における動作制御方法。
工具を有する複数のツールを備えており、前記ツールをワークに対して相対的に移動させることによって前記ワークを加工する工作機械における動作制御方法であって、
加工中に前記工具に異常が発生したか否かを判定する第１工程と、
前記異常を検出すると、少なくとも２以上の前記ツールにより同じワークに対して加工を行う同時加工を行っているか否か、及び前記異常が検出された工具が当該同時加工中の工具であるか否かを判定する第２工程と、
前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせた際に、他の前記ツールでの加工における影響の大小を判定する第３工程と、
前記第２工程及び前記第３工程での判定結果を踏まえ、前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせるとともに、他の前記ツールに応答動作をとらせる第４工程と
を実行することを特徴とする工作機械における動作制御方法。
工具を有する複数のツールを備えており、複数の前記ツールをワークに対して相対的に移動させることによって前記ワークに同時加工する工作機械における動作制御方法であって、
加工中に前記工具に異常が発生したか否かを判定する第１工程と、
前記異常を検出すると、前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせた際に、他の前記ツールでの加工における影響の大小を判定する第２工程と、
前記第２工程での判定結果を踏まえ、前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせるとともに、他の前記ツールに応答動作をとらせる第３工程と
を実行することを特徴とする工作機械における動作制御方法。
前記異常が検出された工具を有する前記ツールに異常回避動作をとらせた際に、他の前記ツールでの加工における影響の大小を判定するにあたり、
各前記ツールの現在位置及び進行方向にもとづき、前記ワークに対する切り込み量の変化量から判定する方法と、各前記ツールの現在位置にもとづき、予め設定される影響エリアに位置しているか否かから判定する方法との少なくとも何れか一方を実行することを特徴とする請求項２又は３に記載の工作機械における動作制御方法。